隨著電力電子技術(shù)在汽車電子、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的研究和發(fā)展也進(jìn)入了加速階段。氧化鎵（β-Ga?O?）作為新一代超寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，具有較高的擊穿場強(qiáng)和較低的襯底制造成本，是下一代功率半導(dǎo)體器件的理想材料。然而，目前基于氧化鎵的功率二極管主要關(guān)注擊穿電壓的提升和導(dǎo)通電阻的降低，對開啟電壓的研究有待進(jìn)一步挖掘。高的開啟電壓將會大幅增加功率器件的開關(guān)損耗，長遠(yuǎn)來看不利于氧化鎵基功率器件的實(shí)際應(yīng)用。為此，郝躍院士團(tuán)隊(duì)開展了氧等離子體處理對氧化鎵基功率二極管的影響研究，通過設(shè)計三種器件（N?O等離子體處理、O?等離子體處理和無處理），對比分析含氧等離子體處理對Ga?O?肖特基二極管開啟電壓、導(dǎo)通電阻、擊穿電壓、界面特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，N?O等離子體處理可以有效降低二極管的開啟電壓，且可以通過降低缺陷密度提升器件的擊穿電壓。
通過器件的正向特性研究發(fā)現(xiàn)，N?O等離子體處理、O?等離子體處理和無處理器件的開啟電壓分別為0.6V、1.1V和0.8V，導(dǎo)通電阻分別為3.5mΩ·cm²、4.2mΩ·cm²和4.0mΩ·cm²。N?O等離子體處理二極管的開啟電壓和導(dǎo)通電阻均得到有效降低。通過器件的溫度穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，器件開啟電壓隨溫度升高有減小的趨勢；N?O處理的器件在473K時泄漏電流顯著增加；O?處理的器件開啟電壓隨溫度變化更明顯。
通過X射線光電子能譜學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，N?O等離子體處理后氧化鎵材料表面會在19.48eV處形成Ga-N鍵，弱GaN的形成是器件開啟電壓降低的原因。隨后通過反向擊穿特性研究，發(fā)現(xiàn)N?O等離子體處理和O?等離子體處理均能提升二極管器件的擊穿電壓，從中可以推測含氧等離子體處理能有效填充氧空位從而降低陽極區(qū)域的缺陷。最后對三種器件的陷阱態(tài)特性進(jìn)行了分析。研究表明，N?O等離子體處理和O?等離子體處理的器件具有較小的缺陷狀態(tài)能級和缺陷狀態(tài)密度，充分說明了含氧離子處理可以優(yōu)化界面特性，有助于改善Ga?O?肖特基二極管的性能。
圖1. 等離子體處理的二極管示意圖及顯微照片
圖2.器件的正向IV特性曲線
圖3 XPS測試圖和器件的反向擊穿特性曲線
圖4 器件的C-V特性及陷阱態(tài)信息
該成果以“Research on the β-Ga?O? Schottky barrier diodes with oxygen-containing plasma treatment”為題，發(fā)表于Applied Physics Letters。該成果由何云龍副教授為論文第一作者，鄭雪峰教授與馬曉華教授為通訊作者。該研究工作為低開啟電壓的氧化鎵基功率二極管的研制提供了重要基礎(chǔ)。
02
團(tuán)隊(duì)介紹
團(tuán)隊(duì)以郝躍院士為首席科學(xué)家，先后獲得國家首批國防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、西安電子科技大學(xué)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、全國高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)等稱號。團(tuán)隊(duì)長期從事寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件、微納米半導(dǎo)體器件、與高可靠集成電路芯片等科學(xué)研究。近年來牽頭獲得了國家技術(shù)發(fā)明二等獎2項(xiàng)，國家科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)，陜西省最高科學(xué)技術(shù)獎1項(xiàng)，核心技術(shù)成果已在國家重大工程中成功應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)以解決國家重大需求為己任，堅持愛國奉獻(xiàn)、立德樹人、科教興國的初心使命，開拓進(jìn)取，勇攀寬禁帶半導(dǎo)體科技高峰。
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原文信息
標(biāo)題：Research on the β-Ga?O? Schottky barrier diodes with oxygen-containing plasma treatment
作者：Yun-Long He, Bai-Song Sheng, Yue-Hua Hong, Peng Liu, Xiao-Li Lu, Fang Zhang, Xi-Chen Wang, Yuan Li, Xue-Feng Zheng, Xiao-Hua Ma, Yue Hao
期刊：Appl. Phys. Lett. 122, 163503 (2023)
原文鏈接： https://doi.org/10.1063/5.0145659
